（环境工程专业论文）新型沸石载体sbr生物脱氮工艺的研究.pdf

堡主笙壅堑型进塑熬堡! 里垦竺望壁堑蕊盟婴圣一 1 引言 随着工农、业生产的发展和人们生活水平的提商，禽氮化合物的排放爨急剧增加， 业已成为琢壤熬严重污染源恧弓| 越备赛匏关注。氮索污染载危害极大，避入承体，不 餐能诱发“露营养纯”，造或承黛象态系统紊琵。露藏逐有戳下影嚏：f 】) 浚耗溶簿氧， 导致水体缺戴：( 2 ) 影响鱼鳃的飘传递，使鱼类致弼；( 3 ) 与氯气作用生成氯股，妨碍 氯化消毒。此外氨转化为硝酸，又可由饮用水而诱发骚儿的高铁血红蛋白症；硝酸豁 进一步转化为皿硝胺刚具有严爨的“三致”作用，瓶接威胁着人类的健康【i l 。因此， 经济有效媳羧制水体中豹氮污染国成为当今环境工 窜卷所嚣妪的一个薰大谍题。 交予承髂孛纛污染兹危害器越来越零 莛久簸款罄逑重较，整赛各嚣怒污本斡篪氯 要求越来越沟严格。如德国除要求到1 9 9 5 年有8 5 的污水处理厂达到三缀处理标准 外，还要求划1 9 9 9 年污水处理厂出水每2 小时取样的混合水样中至少肖8 0 ( 5 个 水样中至少肖4 个) 满足总无机氮5 m g l 的要求。镬则就需交纳排污赞：奥地利于 1 9 9 0 年颁布丁“污永接放法”，其中要求人口当鬟大予5 0 0 0 0 躬污水处璎厂出永2 4 枣辩混合承撵懿8 0 这弱：氮氮一 s m g l ，慧氮去滁攀6 0 。瑟争 ，敬焚钵予1 9 9 1 年5 月颁布了有关污水处理静法令，其中不仅对污承处理厂出承中的c o d 。、b o d s 和s s 作了严格的定量规定，还对排入“敏感”水体( 如已经将要发生寓营养化的水 体、用作水源的水体) 的处理厂出水中的氮和磷作了严格的规定，如对于人口当量在 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 的污水处理厂，其出水中的总氮不褥超过1 5 m g l ；对人口当量超过 1 0 0 0 0 0 约污承处理厂，其出泰审豹戆氮不褥超过1 0 m g l l l 2 。 在我强国予污水未经适当娥遴域来处理就搀教繇遣成的富营养化闷鼷已蜀了较 为严重的地步，许多湖泊水体己不自2 发挥其正常功能筒严重地影响了工农业和渔业生 产。我国自8 0 年代以来，也开始了污水脱氮除磷的研究工作，并取得了定的进展。 但由于近l o 多年来，我国污水处理厂工艺技术改进的速度发展并不快，加之乡镇企 业如搿露春必般豹迅猛发震，实际上窳薅兹富营养纯阁题还在热重，越聚越严重建錾 礴羞我晷鹜氐经济豹发震罄 4 l 。 污永生物脱氮技术是7 0 年代猩美国和南非等豳的冰处理专家们在对化学、催化 和生物处理方法研究的基础上，提出的一种经济有效的处理技术。目前，豳内外的污 水处理研究工作者对污水生物脱氮己作了大量广泛而深入的研究，并提出了许多新方 法薪工艺。焚巾的s b r 工艺出予工艺流程简单，占溉灏强小，而趸通过砖工艺操传 逶程戆灵活羧裁剪敦：疑备嚣豢鲑戆羧氢效果，近年来凌国内终被雩| 起广泛瀵凌。可以 说在所有生物脱氮工艺中仍以活谯污泥法为主，能称得上简易、快速、低耗的工艺应 第f 擞共4 6 页 堡圭堡奎堑型塑塑越堡曼里墨圭望丝壑! = ；蕊塑堡墨 当营攥s b r 麓氮工艺l 蓟。蠢藏，瓣s b r 工艺送孬笺猿麓氯将会是今藤垒秘麓氮接术 的研究和开缴应用的一个重要发鼹方向p 1 。 本文的思路是利用沸石独特的吸附氨氮能力，绺台生物脱氮过程特点，通过形成 类似于生物活性炭的生物活性沸石的作用进一步稳定和强化普通s b r 生物脱氮工艺 的脱氮性熊。本文首先通过实验对硝他反鞘化过程中器食氯化合物组分浓度变化规律 及硝纯复磷纯效巢主要影镳霭紊送行了礤究搽讨，驳绥了s b r 生物聪氮王艺薛重要 运行参数，并在此基础上进 亍了s b r 黢氮工艺实验，通过实验确定了簸终的最佳工 艺参数和运行方式。同时，本文通过对比实验和连绥实验对沸石的氨氮吸附特性作了 仔细研究，弗根据实验结果结含硝化过程特点设计了一种应用于s b r 反应器的新型 沸石生物载体，最终也通过相同蜜验条件下的s b r 脱氮工艺实验确定了最佳工艺运 短条终及参数。实验结果表臻，遴遘涝夏生物载体翡痰焉，s b r 生物麟爨工艺戆磷 位段反应爵潮便需原来懿三分之一，大大缩短了工装水力停馨时间，同瓣硝化阶段的 硝化效果褥到了进一步稳定，从而使普通s b r 生物脱氮工艺的整体脱氮性能得到了 有效的增强。 r 2 理论部分 2 1 生物脱氮原理 污永孛瓣蘸一般疆存撬氮、缀氮、盈磺酸楚氮纛磷黢嫠氨等遥耪髟惑孬凌。生活 污水中氮的主要存在形态是露机氮和氨氨。其中有机氮占生活污术含氮量的 4 0 6 0 ，氨氮占5 0 6 0 ，贩硝酸盐氮和硝酸赫氮仅占0 - 5 。 污水的啦物脱氮处理过程，窳际上是将氮在自然界中循环的基本原理应用于污水 生物处理，并借助于不同微生物的共同协调作用以及含理的人为运行控制，将污水中 熬氨氮转健为蘸气蘑麸污永孛驻羧熬过程。污瘩生物羧氮懿綦本缘理楚亵转绞二缓生 物楚毽中，褥鸯祝氮转纯为氨氮的基础上，逶过硝纯麓稻反硝倔菌的佟鲻，将氨氮透 过硝化转化为溉硝态氮、硝态氮。再通过反硝化作用将硝态氮转化为氮气，而达到从 污水中脱氮的目的。因而。污水的生物脱氮通常包括飘氮的硝化和亚硝酸盐氯及硝酸 盐氮的反硝他两个阶段n 第2 页共4 6 页 堡主鲨塞堑型塑互墼壁! 里墨竺塑丝壑王苎盟婴茎一 2 2 硝化反硝化机理 2 2 1 硝化机理 硝化是一个两步过程，分别利用了两类微生物，即亚硝酸菌和硝酸菌。这些细菌 所利用的碳源是c o ，”、h c o ：, 和c o ! 等无机碳，不是有机碳。第一步首先由亚硝酸菌将 氨氮转化为亚硝酸赫，亚硝酸菌有亚硝酸单细胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和亚硝酸球菌 属。然后。由硝酸菌将亚硝酸盐转化为硝酸盐，硝酸菌也由杆菌属、螺菌属和球菌属 组成。表2 2 1 列出了亚硝酸菌和硝酸菌的基本特征。由表可见，亚硝酸菌和硝酸菌 的特性基本上相似，但亚硝酸菌的生长速率较快，世代期较短，较易适应水质水量的 变化和其它不利环境条件。但水质水量的变化或出现不利环境条件时较易影晌硝酸菌 的生长，因而当硝酸菌的生长受到抑制时，容易在硝化过程中发生亚硝酸盐氮的积累 问题。 表2 2 1 弧硝酸菌和硝酸菌的基本特征 项目弧硝酸菌硝酸菌 细胞形状椭球或棒状椭球或捧状 细胞尺寸( m ) 1 1 5o 5 1 0 革兰氏染色阴性阴性 世代期( h ) 8 3 61 2 5 9 自养性专性兼性 需养性严格好氧严格蚶氧 最大比增长速率1 i l l ( h 。)0 0 4 一o 0 80 0 2 一o 0 6 产率系数y ( m g 细胞m g 基质) 00 4 一o 1 300 2 0 0 7 饱和常数k ( m g l ) 0 6 3 60 3 17 亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌。硝化菌是专性的自养革兰氏阴性好氧菌，它们 利用氨氮转化过程中释放的能量作为自身新陈代谢的能源。硝化菌对环境非常敏感， 并且产率与去除b o d 的异养菌相比要低得多。 硝化反应过程需在好氧条件下进行，并以氧作为电子受体。首先，在亚硝酸菌的 作用下，氨氮转化为亚硝酸氮。反应式为： 第3 页共4 6 页 堡主鲨壅 堑型塑壅夔熊塑墨圭塑堕箜! ；蕊盟型 壅一一 一 臻瑾或亿学方法霉生，霹蓊因内外嚣蹙匏灞磊静露垒方法有氯纯镳、氨氧纯镳、氨氧 化钙、蒸汽、峻液等方法。实践中可以根据具体的琢水水质情况，确定凝体的再生方 法和再生工装。如处理含油及有机物过多的污水时。可用加热方法将失效的沸石在 5 0 0 6 0 0 c 灼烧而达到再生目的，热苒生后沸石的备种损失率之和不足5 而处理以 氯氮或重鑫聪离子为主鹩嚣象辩，可爱3 一5 鹤n a c ! 溶液或n a c l 靛酸搂溶液浼 麓露哥迭戮褥生舀煞。 本论文的强的是；f g 用沸石独特的氨氮吸附能力强他普遴s b r 生物脱甄工艺的整 体脱氮性能，因此需要考虑沸石吸附饱和后的再生方法。传统的再生方法需要添置设 备管线，同时消耗化学试剂或蒸汽，成本较高，如粜能够充分发挥硝化殿硝化细菌的 酶鳐氨氮 乍捌实现生耪秀垒三，那将可以大大跨繇成本。缒使霸沸石离予交换系统处理 戆污东一般是焦像污拳、蠢疆游永等嵩氨氨污隶，楚氯缀滚凄逶翥离这凡露毫克每秀 或更高，这么高魏氨氮浓度将会严鬟挢制硝化 笮灞，戮此在这种情况下生物蒋生是不 现实的，而传统再生方法是必需的。但对于城市生活污水，其氨氮冰赓般在四、五 十左右，生物褥生方法则是可能的。实际上生物活性淡去除水中有机物的过程就是利 羽活性炭物理吸耐和微生物生物降瓣豹秘同 乍用宛成的，出予活性炭表蕊粳糙，暇掰 疑杰强，徽生物 襄容荔嚣藿荬上生长繁疆，影残生耪膜，跌孬整活毽凌其有生谤活性。 生耱活性凌啜黔了东串有极耨艏。瓣若生长的激尘鞠能将这些有辊耪作为营养物质并 使其完全氧化，从而使活性炭的孔隙重新空出，始终保证其具备物理吸附能力。通过 这种生物礴徽，活性炭的使用搿命得到了充分延长郴】。沸石作为一种擞似于活性炭 的多孔物魇，典有良好的吸附、交换性能，也应该聊以成为理想豹生物裁体f 捌。如果 将瀑嚣应弱予垒兰褪疆羲工芝憝爨含氮懿辕毒生嚣涎窳，沸磊穆囊逶建离子交换 睾薅夫 量骥陲泰然申豹氨氮，在漆石溺辫形成富含氨爨黪环境，嚣氮氮是磷傀麓瓣蔻养裙矮， 所以与其它绷胬种群相比，硝化精将能获得更为膏利的生长繁殖条件。硝化麓在生长 繁殖的同时将沸石吸附的氨氮消耗掉，使沸石的吸附飘氮能力获得再生，通过这种协 同作用最终可以形成具有生物再出能力的生物活性沸石。 3 6 应用沸石生物载体的硝讫实验 3 6 1 沸石触物载体设计殿挂膜 生物活瞧炭熬疰囊逶零是将滔楼炭耋接热入生貔炭炭遴爨，经过毂嚣雩翊魏戮铯 鑫，活鳇荻表面接簇，最葵霹竣其礴生辏溪毪 雒弼。辍然滚石彝活链凌窬程一壁共蠢 点，僵出予沸石本身的一些特能，生物活性沸石的应耀方式不能和生物活饿炭完全 第2 9 缀共4 6 页 堡主笙奎堑型塑! ! 熬堡! 呈垒尘塑壁塑! ：篓魍婴塞一 样。沸石对缀瞧分子有缀强懿寒合力，舔承是较缝缀滋豹，l 、分子，因藏沸石其有较大 的吸水能力。实际上沸石是一种很好的干燥剂，袭3 6 i 列出了在相对湿度为5 时 几种干燥剂的吸水量。 表3 。6 ，l 几种干澡翔的吸水域( 相对潼发5 ) 从表中w 以看到沸石的吸水爨较硅胶和活性氧化铝部高，高氯酸镁融媳有很大的 啜永量，但幽予其纯学活泼性太强，哥使用的范圈楚鸯浆敢。泱石静这_ 荸申强墩承特瞧 对生秘活毪沸嚣赘应焉方式是鸯缳大彰酸酶，如果褥涕蠢壹接蕊入反疯嚣中，遂东磊 沸石迅速吸水聚集形成很紧密的一块，活性污泥将秃法进入内部与其充分接触，时间 长后只有袭黼的沸石才能附潜缴物膜。因此需要考虑其它的方式应用，土物活性沸 石，本实验中将沸石固定在薄塑料扳表面，然后将其制作成为具有空间绐构的立体生 物载体，使沸石能与活性污泥充分接触，如图3 6 i 掰示。 豳3 6 i 沸z i 生物载体 沸石生物裁体的挂膜可以意接投s b r 反应器中进行，为缩短挂膜所需鹱的时| 白j ， 鲎接使雳已驯纯成熟豹硝诧污泥势只递毒亍s b r 工艺夔鞘貔玲段，每天换承瓣次，2 蠲 嚣垒三物载舔表鬻有稳定静黄褐色生物膜辩着生长。 第3 0 页共4 6 页 堡主堡塞堑型塑塑夔堡! ! 堡竺塑丝塑! ：茎塑婴签一 由试验数据，使用沸石生物载体时，硝化反应进行3 0 m i n 氨氮去除率达到7 8 ， 6 0 m i n 时即可达到9 0 以a 2 ，而此时未使用沸石的硝化段实验中硝化作用尚未显著展 开，并且直到1 8 0 m i n 时氨氮去除率才达到8 7 。通过对比充分说明使用了沸石生物 载体，硝化段的硝化性能确实有明显提高。 此外，从图3 62 中还可以看到未使用沸石生物载体的硝化实验氨氮浓度数据在 6 0 m i n 之前存在明显的平台期，即硝化作用进展非常缓慢。这主要是自养硝化菌在与 异养好氧菌对氧的竞争中处于劣势，而使得硝化作用滞后的缘故。但使用了沸石生物 载体的硝化实验数据并不存在这样的平台期，相反从一丌始就具有很高的氨氮去除速 率，其原因是沸石生物载体具有物理吸附和生物降解的双重功能。硝化段刚丌始，异 养好氧菌便利用进水中的有机物作为营养生长繁殖，并迅速耗氧，此时硝化作用受抑 制，但沸石生物载体的离子交换作用并不受影响而能大量吸附氨氮。使水体中的氨氮 浓度迅速下降，所以在实验数据上不存在平台期，实际上此时的氨氮去除主要是氨氮 从水体中转移到了沸石中。之后由于已挂膜成熟的沸石载体中硝化菌为生物膜中的优 势菌，数量多，密度高，在异养菌活动减弱而有机会利用溶解氧后能将吸附的氨氮迅 速转化为硝酸氮。 虽然本实验中氨氮去除效果非常好，但由于沸石本身具有大量吸附氨氮的能力， 所以实验中氨氮的减少也有可能是沸石吸附所致，如果是这样，沸石生物载体吸附饱 和之后即失去了作用，也就说明沸石载体不具备预期的生物活性。因此需要以实验来 证明沸石生物载体确实是具备了生物活性，能够发挥其物理吸附和生物降解的协同作 用。首先从沸石连续吸附氨氮实验数据来看，经过连续四个吸附周期，氨氮去除率从 9 l 降低到4 5 ，而本实验中连续四周期氨氮去除率均在9 7 以上，因此氨氮去除 不可能完全是吸附效渠。为进步证明沸石生物载体的生物活性，需要进行更长h , i i 日j 的长期实验观察，以排除沸石单纯物理吸附去除氨氮的可能性。 3 6 3 长期硝化实验 在前面硝化实验中可以看到，l h 时氨氮去除已接近完全。因此将硝化反应时间 定为l h ，其余条件与前面应用沸石的硝化实验完全相同，进行一个长期的硝化实验 观察过程，目的是看沸石生物载体是否确实具备生物活性。如果沸石生物载体不能实 现“沸石吸附一硝化菌再生”的协同去除氨氮作用，那么前面硝化实验中极好的氨氮 去除效果只是一个假象，实际上氨氮被吸附到沸石中后并没有或只有部分得到转化， 其余的氨氮将继续存留在沸石中，而此时水体中的氨氮浓度则会很低，导致氨氮去除 效果很好的假象。但时间一长，由于沸石的氨氮吸附容量终究是有限的，随着沸石逐 渐吸附饱和，硝化段的氨氮去除率将逐渐下降，最终沸石生物载体只能发挥普通生物 第3 2 页共4 6 页 篓主鲨塞熬愁鎏蔓墓整! 堡篓垒塑墼熬：蔓茎整墅塞 一 寝嚣豁爨就鼗潞石雯穆鼗髂麓糗逮楚泼辫涎零孛黥摊魄4 ，骧鬻稳黪嚣炙淹黥瀑石霹出 礴纯蕾将潞蔷泽熬辩 ；+ 戟豫海摊强瑟去狳鞫嚣雩傻潞磊获褥褥室。穗逡转啜辩褥生鼷 环i 窭稷中，潞磊豹甄氮鬻娥佟鞠绘磷纯蔼援拱了宽越嬲营莽，栽馕磷傀麓继臻豫撩萁 谯势蘩豹邋艇，簿起裂了聚纯越瓣终渗葵麓戆佟躐，聪稿健蘩貉沸石吸除鹩氨氮转 忠 去除，捷潞嚣灏菇氮啜辩瓣南获德了落生。当涤嚣蔽辩一臻稼黧褥生禚繇运戮平鬻稳